制冷系统在小庄煤矿40309 工作面的应用分析

刘昌国 张 涛

（陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西 咸阳713500）

1《煤矿安全规程》对井下温度的要求

《煤矿安全规程》第一百零二条：进风井口以下的空气温度（干球温度，下同）必须在2℃以上。生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26℃，机电设备硐室的空气温度不得超过30℃；当空气温度超过时，必须缩短超温地点工作人员的工作时间，并给予高温保健待遇。

采掘工作面的空气温度超过30℃、机电设备硐室的空气温度超过34℃时，必须停止作业。新建、改扩建矿井设计时，必须进行矿井风温预测计算，超温地点必须有制冷降温设计，配齐降温设施。

2 工程概况

小庄煤矿是陕西彬长矿业集团公司开发建设的一座大型现代化矿井。井田东西长9.0km，南北宽约6.8km，井田面积57.32km2，地质储量10.77 亿吨，可采储量5.78 亿吨，煤炭产品属低灰、低硫、特低磷、高发热量的优质动力煤和化工用煤。目前回采的40309 综采工作面于2019 年2 月安装调试运行并投产，是彬长矿区首个智能化综采工作面，工作面走向长度2980米，切眼长度195 米，煤层煤层埋藏深度531m～731m，煤层厚度为19-28m。工作面内XZ1 钻孔地温观测结果显示：4 煤底板地温为29.99℃，补勘时对5 个钻孔进行了简易地温测量，最大地温梯度2.07℃/100m，最小地温梯度1.26℃/100m，平均地温梯度为1.68℃/100m。本区位于矿井一级热害区，在开采中必须对热害问题应给予足够重视并采取相应的措施。因设备温度和地温综合影响，工作面正常生产期间温度高达31-32 度，给矿井安全生产造成极大的安全隐患，经多方面考察研究论证，专为40309 综采工作面建设了空调制冷系统，投运以来，综采工作面的环境得到很大的改善，热患得到了有效治理。

3 制冷系统布置

我矿40309 综采工作面集中制冷降温系统是由矿用防爆制冷装置、全风量空调装置、井下矿井排水换热装置、水循环输送及过滤装置、系统管路、电气设备等组成。该系统通过位于19#联巷制冷硐室的两台ZLS-1100/1140 制冷机组制取冷冻水，由冷冻水循环水泵经冷冻水管路送至40309 运顺中段1450 米全风量空调器处，将空调器循环水冷却，冷却后的空调循环水在空调器内对运顺巷道内所有送风进行冷却，为空调器后端整个运顺及工作面进行降温。用于制冷机组散热的冷却水由冷却水循环泵经冷却水管路送入耐腐蚀可清污的矿井排水换热器与40202 采空区的矿井排水进行热交换，矿井排水将系统热量吸收后排入盘区水仓送至地面，完成整个制冷降温循环（如图1）。

4 系统概述

图1 40309 综采工作面制冷系统示意图

4.1 系统框架

本系统是基于过程控制系统模式应用先进的组态开发技术开发完成的。整个系统包含用户权限管理、系统参数设定、实时参数的运行显示、实时报警记录、历史报警记录和机组控制操作等功能：

权限管理：控制系统为用户设置了操作员、工程师和系统配置三种种级别,以不同的级别登陆本系统，其相应的操作权限就有所不同。这将更有利于用户对系统的管理。系统监控：机组运行时，相关实时数据将在监控主画面中显示出来，便于用户查看。用户还可以根据机组要求对机组进行实时控制。报警记录：当系统出现故障时，控制系统会显示出故障原因，并在报警记录画面中显示和储存。系统设定：包括系统配置设定、系统参数设定、报警参数设定、校验参数设定。用户可以根据实际需要更改其中的设定参数以满足现场工况的要求。

4.2 系统特点

4.2.1 操作简单

只要在触摸屏上设定好系统的各项参数，再按照触摸屏上的提示进行操作，系统就能投入运行或按设定步骤停止运行。用户所设定和校验的参数进行保存操作后，即使PLC 长期断电也不会丢失。

4.2.2 参数实时监控

当系统通电后，程序自动对各输入点的温度、压力等参数进行检测，实时显示。本控制系统也可根据厂家要求，采用MODBUS RTU、TCP/IP、PROFIBUS-DP 等通讯协议与中控室上位机进行通讯，其中对MODBUS RTU 协议可进行站地址、波特率、奇偶校验方式的屏上设定，使远程监控变得更为简单和可靠。

4.2.3 故障自动处理，避免频繁停机

在参数设定菜单中只需设定好保护值，当系统检测到实际参数接近保护值时，自动进行能量减载，若减载后仍超过保护值，系统才会停机，尽可能避免频繁停机。但是如果发生油泵电机过载、压缩机电机过载、油泵运行无反馈、压缩机运行无反馈、系统连锁等故障时，经PLC 确认后立即停机。

4.2.4 独特的手动和自动控制

当系统处于自动状态时，手动仅仅只能启、停压缩机，其它均为自动控制状态；在手动状态下，自动控制不起作用，但仍可显示机组运行参数，并实施报警保护。两种状态可分别独立运行，也可实现无扰动相互切换。

4.2.5 通用性高，灵活性强

本控制系统适合绝大多数型号的螺杆制冷压缩机组，用户只要根据机组型号及工况对机组参数进行必要的设定就能达到所需要的控制功能。

4.2.6 能量调节速度可调

能量调节速度可根据机组实际情况进行调节。当设定好压力或温度控制值后，系统将自动调节能量和内容积比的工作状态，使压力或温度达到设定值，并使压缩机组工作在最佳状态，提高能源利用率，降低能耗。

5 运行状态监测分析及注意事项

5.1 运行状态分析

目前运行正常运行一台机组，冷冻水出温：6.4℃，冷冻水进温：12.6℃；冷冻水流量为：73.2m3/h，水的比热容为：C=4.2×103J/kg.℃，水的密度为：ρ 水=1.0×103kg/m3；空气比热容C=1×103J/Kg.℃，空气的密度ρ≈1.29Kg/m3，40309 工作面运输顺槽巷道有效断面为20m2，有效风速平均为2.0m/s；取冷热转换效率η=0.85；根据热传递公示可η.Q 水冷=Q 放可求得。

根据热量计算公式算出该机组一小时制冷量：

Q 水冷=CM（T-T0）=4.2×103×73.2×1×103×（12.6-6.4）=1906.128×106J

再根据η.Q 冷=Q 空气C 空气M 空气△T 空气 算出：△T空气=8.7℃

因此：经过理论计算，在目前状态下，运行一小时可以将与其完全接触的空气降温8.7℃。

由此可见，小庄40309 工作面制冷系统的制冷效果非常明显。而且通过实际现场勘测，制冷系统运行后、环境温度已经达到了安全生产条件，工作环境确实得到了很大的改善。

5.2 应该注意的事项

5.2.1 由于在40309 运输顺槽1500 米处有通往回风顺槽的设备联巷，会消耗掉一定的冷空气，因此实际到达综采工作面的冷空气会减少，温度和理论计算有一定的差距。

5.2.2 由于运输顺槽装有运输皮带设备，不能够做到巷道的完全封堵，造成通过的风量不能完全经过空调器进行冷热置换，因此在日常管理中要注意做好封堵工作。

5.2.3 冷冻水交换装置与冷冻水空调器安装在巷道中，使用过程中会造成冷冻水的消耗，与该处巷道煤体进行了冷热交换，所以会出现在空调器附近温度很低。

结束语

在深井开采条件下，地温不断升高，热害以及有毒有害气体、粉尘的危害也日益增大。这些危害严重影响作业工人的效率以及他们的身心健康，甚至很可能导致一些矿井恶性事故的发生，给矿井的安全生产及其日常管理带来了极大的威胁。通过矿井制冷系统的投入运行，能够彻底改变这一现状，目前我矿40309 工作面的工作环境得到了很大的改变，使工人的劳动作业环。